自动控制原理实验

第九章 自动控制原理实验

实验一 典型环节的电模拟及其阶跃响应分析

一、实验目的

⑴ 熟悉典型环节的电模拟方法。 ⑵ 掌握参数变化对动态性能的影响。 二、实验设备

⑴ CAE2000系统（主要使用模拟机，模/数转换，微机，打印机等）。 ⑵ 数字万用表。 三、实验内容

１．比例环节的模拟及其阶跃响应

微分方程 )()(t Kr t c -= 传递函数 =

)(s G )

()

(s R s C K -= 负号表示比例器的反相作用。模拟机排题图如图9-1所示，分别求取K=1，K=2时的阶跃响应曲线，并打印曲线。

图9-1 比例环节排题图 图9-2 积分环节排题图 ２．积分环节的模拟及其阶跃响应

微分方程 )()

(t r dt

t dc T

= 传递函数 s

K Ts s G ==

1)( 模拟机排题图如图9-2所示，分别求取K=1，K=0.5时的阶跃响应曲线，并打印曲线。 ３．一阶惯性环节的模拟及其阶跃响应

微分方程 )()()

(t Kr t c dt

t dc T

=+ 传递函数 1

)(+=

TS K

S G 模拟机排题图如图３所示，分别求

取K=1, T=1; K=1, T=2; K=2, T=2 时的阶跃响应曲线，并打印曲线。

４．二阶系统的模拟及其阶跃响应

微分方程 )()()

(2)(2

22

t r t c dt t dc T dt t c d T

=++ξ 传递函数 121

)(22++=Ts s T s G ξ222

2n

n n s s ωξωω++= 画出二阶环节模拟机排题图，并分别求取打印： ⑴ T=1，ξ=0.1、0.5、1时的阶跃响应曲线。 ⑵ T=2，ξ=0.5 时的阶跃响应曲线。 四、实验步骤

⑴ 接通电源，用万用表将输入阶跃信号调整为2V 。

⑵ 调整相应系数器；按排题图接线，不用的放大器切勿断开反馈回路（接线时，阶跃开关处于关断状态）；将输出信号接至数/模转换通道。

⑶ 检查接线无误后，开启微机、打印机电源；进入CAE2000软件，组态A/D ，运行实时仿真；开启阶跃输入信号开关，显示、打印曲线。 五．实验预习

⑴ 一、二阶系统的瞬态响应分析；模拟机的原理及使用方法（见本章附录）。 ⑵ 写出预习报告；画出二阶系统的模拟机排题图；在理论上估计各响应曲线。 六．实验报告

⑴ 将每个环节的实验曲线分别整理在一个坐标系上，曲线起点在坐标原点上。分

图9-3 一阶环节排题图

析各参数变化对其阶跃响应的影响，与估计的理论曲线进行比较，不符请分析原因。

⑵ 由二阶环节的实验曲线求得σ﹪、t s 、t p ，与理论值进行比较，并分析σ﹪、

t s 、t p 等和T 、ξ的关系。

实验二 随动系统的开环控制、闭环控制及稳定性

一．实验目的

了解开环控制系统、闭环控制系统的实际结构及工作状态；控制系统稳定的概念以及系统开环比例系数与系统稳定性的关系。 二．实验要求

能按实验内容正确连接实验线路，正确使用实验所用测试仪器，在教师指导下独立完成实验，并能对实验结果进行分析。 三．实验设备

⑴ XSJ-3（或XSJ-2）型小功率直流随动系统学习机。 ⑵ 直流稳压电源(用于XSJ-3型)。 ⑶ 超低频长余辉示波器。 ⑷ 数字万用表。 四．实验内容及步骤 １．开环控制系统实验

⑴ 用螺丝刀将直流电机轴与反馈电位器连接轴螺丝拧松，使直流电机轴与反馈电位器脱开（开环时保护反馈电位器）。

⑵ 将给定电位器，运放Ⅰ，运放Ⅱ，功放，直流电机联接成开环状态（给定电位

器旋至0），其原则性方框图如图9-4（接线时可参考图9-8）。

⑶ 旋转给定电位器，使其滑臂转角大小、方向不同（即输入电压大小、极性不

同）

图9-4 开环控制系统原则性方框图

时，观察电机恒定转速与方向。将速度变化趋势填入表9-1。

⑷改变运放Ⅱ放大倍数，重复上述过程。

２．闭环控制系统实验

⑴将直流电机轴与反馈电位器联接好（用螺丝刀拧紧连接轴螺丝）。同时给定电位器置0。

⑵将给定电位器，运放Ⅰ，运放Ⅱ，功放，直流电机，反馈电位器联接成开环状态，其原则性方框图如图9-5。

图9-5 判断反馈极性原则性方框图

⑶判断反馈极性：按照给定电位器顺时针方向时电机的转向，用手转动电机轴，

使反馈电位器转过一个角度，用万用表测量反馈电位器输出电压，若是电压下降或负相增加则反馈极性为负，否则为正（如果是正反馈，须改成负反馈，请同学自己解决）。

⑷将系统连接成负反馈闭环状态。

⑸将给定电位器滑臂由零转过三个不同的角度（可分为30°、60°、90°），分别读出反馈电位器由起始位置变化的角度。改变给定电位器转向，重复上述过程。将结果填入表9-2。

⑹改变运放Ⅱ比例系数（共分为小、中、大），重复实验步骤⑷。

３．系统开环比例系数与稳定性的关系

⑴将系统保持闭环控制系统实验时状态，同时将反馈电位器输出电压接到示波器输入端（反馈电压可表示直流电机转角，即输出转角）。

⑵将给定电位器置0（或者断开）。取运放Ⅱ比例系数为三个不同数值（三个不

同数值的选取以出现三种明显不同的过渡特性为准，即指数曲线，衰减振荡，激烈衰减振荡），加入阶跃输入信号，用示波器观察输出波形，并将波形填入表9-3。

五．实验预习

⑴控制系统的稳定性；直流电动机系统数学模型的建立；实验指导书。

⑵写出预习报告，画出系统方框图，标明各部分传递函数，估计实验结果。

六．实验报告

⑴记录实验数据

⑵分析实验结果，并与估计的实验结果进行比较，若不相符，请分析原因。总结实验得出的结论。

表9-1开环控制

表9-2闭环控制

表9-3稳定性

实验三随动控制系统的静、动态性能指标及系统校正

一．实验目的

⑴加深对控制系统的稳态误差、超调量、过渡过程时间概念及其与开环比例系数关系的了解。

⑵了解控制系统的校正方法，校正对系统性能指标的影响。